【摘 要】隨著衛星載荷技術的顯著突破、手機終端技術的持續創新以及體制標準的制定與驗證，手機直連衛星技術正經歷著迅猛的發展。通過分析當前手機直連衛星技術的現狀，我們可以清晰地看到兩條主要的技術路線和三種不同的實現方式。然而，在發展過程中，我們也面臨著星地頻率共用、星載天線設計、星載基站構建等技術瓶頸。為了克服這些挑戰，我們需要結合實際的系統架構和多樣化的應用場景，確定研究的重點方向。展望未來，手機直連衛星技術作為5G通信的關鍵組成部分和6G通信的重要基礎，其發展前景令人期待。
【關鍵詞】 手機直連衛星 ; 非地面網絡 ; 頻率共用 ; 星載天線 ; 星載基站
宋艷軍, 肖永偉, 孫晨華. 手機直連衛星關鍵技術分析與發展展望[J]. 電信科學, 2024, 40(4): 1-9.
SONG Y J, XIAO Y W, SUN C H. Analysis and future development of direct-to-handset satellite key technologies[J]. Telecommunications Science, 2024, 40(4): 1-9.
0 引言
在“手機直連衛星”這個名詞出現以前，銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、海事衛星（Inmarsat）和中國天通衛星均支持類手機終端直連衛星進行通信。早在20世紀90年代就出現了手機直連衛星的應用場景，當時的衛星手機終端在形態和收發能力上均不同于現在的手機。現在的手機直連衛星場景是使用同一部手機，既能接收地面移動信號，又能接收衛星信號，可根據網絡情況選擇使用地面移動網絡或者衛星網絡。
手機直連衛星是地面移動通信向天空延伸發展的必然過程，是實現5G全球覆蓋的有效手段，也是塑造6G物理世界的重要支撐。相比高軌衛星，低軌衛星可提供更短的處理時延、更強的信號質量，軌道資源也更加豐富，通過星座組網可實現全球覆蓋，這些特點為手機直連衛星技術發展提供了便利條件。隨著衛星載荷、用戶終端、火箭發射等技術的進步，低軌衛星星座的部署加快，推動了手機直連衛星通信的發展。
本文從手機直連衛星的發展現狀出發，分析手機直連衛星的技術路線和實現方式；根據手機直連衛星的特點及實現方式，探討手機直連衛星星地頻率共用、星載天線、星載基站、手機天線等方面需要解決的關鍵技術，從星地融合、系統化、體系化角度分析提出手機直連衛星的發展趨勢和未來關注的技術方向。
1 手機直連衛星發展現狀
近幾年，手機直連衛星發展迅速，2022年6月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP ）發布了非地面網絡（non-terrestrial network，NTN）的相關標準，將手機連接衛星變得有據可依，間接推動了手機直連衛星的發展；同年9月，華為手機直連北斗衛星、蘋果手機直連全球星，支持直連衛星手機的推出，實現了手機通過衛星網絡發送短消息，直接推動了手機直連衛星的發展；2023年4月， AST公司基于BlueWalker3衛星和普通手機首次完成語音通信測試；同年8月，華為Mate60 Pro手機集成了天通衛星體制協議芯片，實現了直連衛星手機的商用化；2024年1月，SpaceX公司發射6顆搭載了直連手機載荷的衛星，并與地面運營商合作，使用普通手機完成短信和數據等業務測試，同時完成了使用天地頻率協調的初步探索，計劃年底向全球提供短信服務；2024年3月，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）通過了太空補充覆蓋監管架構，使美國成為星地融合通信落地的國家，極大地促進了手機直連衛星及天地頻率融合的發展。
目前，手機直連衛星的技術路線總體來說可以分為兩類。一類是沿用現有標準，關鍵技術取得突破。當前主要的手機直連衛星應用均屬于這類技術路線，便于手機直連業務的快速落地，但其或者采用私有協議而無法迅速做大生態鏈，或者為適應存量手機而增加星載基站的實現難度。第二類是研究制定新標準，技術取得全面突破。這類技術路線是指3GPP已開展的NTN標準制定工作，該標準可以支持手機直連衛星通信，但其關鍵技術正處于探索階段，標準規范也正處于討論完善階段。手機直連衛星在兩種技術路線的框架下分為以下3種主要實現方式。
（1）手機改直連衛星方式。在手機內增加適應衛星體制協議的芯片，使同一部手機中既有適應地面移動通信體制協議的芯片，又有適應衛星體制協議的芯片。采用此種方式的有華為手機+北斗衛星、華為手機+天通衛星、蘋果手機+全球星等。此種方式由手機廠商主導，手機廠商為適應衛星能力和體制協議，加大手機終端相關技術投入，促進了手機的芯片、射頻、天線等技術進步。隨著技術的突破與成熟，越來越多的手機廠商（特別是中國手機廠商）將加入手機改直連衛星方式的陣營。
（2）衛星改直連衛星方式。將地面基站改動后布置在衛星載荷（星載基站）上，直接使用現有的4G手機接入衛星即可完成手機直連衛星通信。實現此種方式的衛星廠商有SpaceX公司的Starlink-V2 mini衛星和AST公司的BlueWalker3衛星等。此種方式由衛星廠商主導，衛星廠商根據低軌衛星的信道特性、運行特點，對地面移動通信協議進行了適應性研究，并移植到星載基站上，推動星載基站、星載天線等技術的發展。由于該實現方式是面向存量手機的手機直連衛星解決方案，有技術能力的衛星廠商通過此方式可以快速搶占市場，因此這在中期是一種比較好的解決手機直連衛星應用的方式。
（3）基于NTN標準逐步實現手機直連衛星。3GPP在開始制定5G標準之初，就計劃將衛星通信與移動通信融合，建立一個NTN，并將NTN作為未來衛星網絡的標準，以解決全球90%以上區域缺少通信手段的問題，保證無服務或服務不足地區的互聯網服務的可達性和連續性，同時提高地面網絡應對自然災害和人為災害時的能力。NTN標準經歷了Release 15（Rel-15）階段研究信道場景等需求研究、Rel-16階段潛在解決方案研究、Rel-17階段NTN具體技術研究和標準確定。在此期間，中國移動、中興通訊、中信科移動、紫光展銳等公司開展了基于NTN標準的手機直連衛星在軌驗證。
綜上所述，手機直連衛星的3種實現方式各有如下優缺點。
（1）手機改直連衛星方式不需要發射衛星，縮短了衛星建設周期，降低了成本，使手機廠商可以根據各自的技術實力自主研發，見效快，但由于通信速率限制，其僅能解決基本通話問題。
（2）衛星改直連衛星方式可以實現目前全球數億的存量手機直連衛星，對于個人用戶來說，不用更換手機即可體驗衛星互聯網服務。這種實現方式的驅動是衛星廠商，要建設一個手機直連衛星網絡需要較高成本和周期，并且有許多復雜的關鍵技術需要攻關，實現難度較大。同時，采用4G-LTE體制，系統能力受限，不利于后續5G/6G移動通信的發展。
（3）基于NTN標準實現手機直連衛星的優點和缺點同樣突出。NTN標準是集全世界行業內公司、專家的智慧而制定的，其技術的可行性、系統的可用性均是經過充分論證和研究的，一旦發布實施，將會是一個合理可行的方案。但是，目前NTN的技術和架構正處在初步研究階段， NTN網絡部署、衛星節點建設、與5G NR整合等方面均存在障礙，從標準的研究制定，到系統的建設、手機終端的研制，整個周期很長，無法快速滿足當前偏遠地區的通信需求。
因此，由于服務需求不同、商業驅動不同，在未來幾年內，手機直連衛星的3種實現方式將會共存，但長期來看，大概率會走向基于NTN標準的技術路線。無論未來手機直連衛星朝哪個方向發展，星地頻率共用、星載高增益天線、星載高性能基站、手機終端高增益天線等都是需要解決的關鍵技術。
2 制約發展的關鍵技術
2.1 頻率共用技術
目前，國際上關于星地頻率的使用規則均在國際電信聯盟（International Telecommunications Union，ITU）《無線電規則》的整體框架下進行。ITU《無線電規則》的“頻率劃分”章節中將8.3 kHz～300 GHz的頻段劃分給地面和衛星，有些頻段單獨給地面/衛星使用，有些頻段既劃分給地面又劃分給了衛星。各個國家使用星地共用頻段時，會根據各自國內的需求考慮將這些頻段用于地面或者衛星。總體而言，目前星地頻段已經按照規則完成分配，且分開使用。
根據現有無線電使用規則，在手機直連衛星的場景下實現全球覆蓋必然會對某些地區造成頻率干擾，因此需要研究天地頻率干擾規避和頻率共用相關技術。
低軌衛星在移動過程中，會經過多個國家或地區，可以按照各個國家或地區的要求，以地面通信頻率為主，通過不斷更改衛星的發射和接收頻率，避免星地間頻率干擾。此種方式的好處是能夠服務全球所有地區的用戶，可以有效形成與地面運營商的合作關系，缺點是地面通信頻率在不同國家或地區分散在600 MHz～2.4 GHz的多個頻段，為了能夠適應全球的工作范圍需要研究600 MHz～2.4 GHz的寬帶射頻通道和天線，同時還需要研究基于服務對象位置的頻率干擾規避策略。
手機直連衛星時不僅需要考慮衛星和地面之間的頻率干擾，還要考慮不同系統衛星之間的頻率干擾，同時要考慮系統內不同衛星之間對同一個用戶的干擾。由于系統內部的工作頻率可以提前規劃，借鑒地面頻率多色復用規則，研究星地統一頻率多色復用策略，可以避免星地間、星星間、系統內的頻率干擾。但在用戶即將跨星切換時，系統內源衛星和目的衛星對用戶同時覆蓋可能造成同頻干擾，此時應考慮將兩顆衛星配置成不同頻點，減少干擾，但這樣又會引起用戶切換的復雜度增加，因此需要針對特殊場景研究頻率干擾規避策略。
由于衛星與地面用戶相對位置快速變化，星載天線如果不隨著衛星移動而調整波束成形將會導致覆蓋區域變大，進而引起對其他衛星或地面設施的干擾。因此，對星載天線的控制策略也是頻率干擾需要研究的一部分內容，通過研究手機直連衛星頻率共用技術可以促進星載天線技術的發展。
使用非授權頻段無須授權，但要與其他通信體制共存，共同競爭信道資源。非授權頻段分布在5～6 GHz和Ka頻段的多個頻段，由于5～6 GHz的頻率與地面5G通信頻率相近，2種信號的星地傳輸衰減和處理方法大致相同，可以選擇5～6 GHz這段頻率作為手機直連衛星的天地共用頻率。同時借鑒 4G 使用許可證輔助訪問（licensed-assisted access，LAA）實現非授權頻譜接入，在手機直連衛星場景下，利用授權頻譜接入地面網絡，之后通過地面網絡輔助實現手機利用非授權頻譜接入衛星。
手機直連衛星的星地頻率共用問題單從技術層面無法被有效解決，需要聯合地面電信運營商共同規劃頻率，進行區域內星地頻率統一協調。以 SpaceX 公司的手機直連衛星用頻為例， SpaceX公司向FCC申請用于手機直連衛星業務的頻段（原地面使用頻段），同時與地面電信運營商簽訂合作協議，開展手機直連衛星試驗驗證。SpaceX公司申請手機直連衛星頻段與合作運營商的關系見表1，可以看出，SpaceX公司申請手機直連衛星頻段覆蓋目前合作的地面電信運營商使用頻率，同時也為未來拓展合作奠定了基礎。2024年3月14日，FCC批準SpaceX和其他衛星運營商使用有合作關系的地面電信運營商頻率資源，極大地推動了星地頻率共用的進步。
2.2 星載天線技術
地面4G-LTE通信能夠為用戶提供100 Mbit/s的峰值速率和10 Mbit/s的體驗速率，地面5G通信能夠為用戶提供1 Gbit/s的峰值速率和100 Mbit/s的體驗速率，當前手機直連衛星僅能提供kbit/s量級的數據服務，比地面4G-LTE通信的體驗差很多。受手機直連衛星通信場景限制并根據服務能力需求，手機直連衛星要想實現10 Mbit/s量級的數據傳輸和服務用戶最大化，必須增加衛星的收發能力，即星載天線應具備很強的收發能力。手機直連衛星的星載天線需要具備波束高增益、波束數量多、波束覆蓋小、波束可成形、波束跳變快、波束帶寬大等要素。
星載天線應具備較高的發射等效全向輻射功率（equivalent isotropic radiated power，EIRP）值和接收G/T值。以L/S頻段、500 km低地球軌道衛星為參考進行星地鏈路預算，同時參考SpaceX公司、AST公司公布的天線指標對比與實測結果，星載天線輻射的EIRP值需要達到58 dBW，才能使手機直連衛星的通信速率達到10 Mbit/s量級。由于手機用戶更注重下載速率的服務體驗，因此上行速率比下行速率的要求低，達到Mbit/s量級即可。以手機發射功率23 dBm為例，星地鏈路損耗變化相對固定且有一定規律，要實現Mbit/s量級的數據傳輸，需要衛星具備不小于15 dB/K的G/T值。星載天線在考慮高增益時，也要考慮其功耗和散熱能力，確保整星能夠為其提供充足能源。
衛星用戶側的星載天線需要靈活調度，多數情況下使用陣列形式，星載陣列天線的使用需考慮指向損失，俯仰角越大，指向損失越大，因此星載陣列天線的俯仰角指向變化最大值不超過60°。以衛星軌道高度500 km為例，當衛星俯仰角為60°時，衛星視場內覆蓋面積達到318萬平方千米。實現如此大面積區域內的信號覆蓋，如果使用寬波束，勢必會造成功率浪費和頻率干擾，因此應使用點波束進行目標位置覆蓋。考慮避免出現與地面頻率、其他衛星頻率相互干擾的問題，需要將點波束覆蓋半徑設置為10～50 km，如果使用點波束覆蓋衛星視場面積，需要數百至上萬個點波束，波束覆蓋與波束個數對應關系見表2。星載天線無法實現如此多的點波束，只能采用點波束結合波束跳變功能實現衛星視場全覆蓋，由于點波束跳變采用時分復用原理，每跳變一次需要的時間固定，如果全部跳完整個衛星視場，需要的時間為秒級，這個等待時間長度對于用戶來說是無法忍受的。因此，需要研究星載天線的點波束數量、跳變位置數量、波束跳變策略等內容，以優化服務等待時間。
星載天線的波束覆蓋面積小，可以有效減少與地面頻率、其他衛星頻率的同頻干擾問題，由于波束覆蓋面積與星載天線的波束角有關，而波束角與天線的面積有關，波束覆蓋面積越小，星載天線的面積越大，大口徑星載天線工程實現難度越大。因此，需要研究同等天線面積條件下減小波束角的方法。
由于低軌衛星的高速運動，地面目標終端相對衛星基本是靜止狀態，二者之間位置變化引起星載天線方向圖變化，如果改變星載天線方向圖，會導致波束覆蓋范圍的增大與變形，將對周邊波束或地面基站造成頻率干擾。因此，需要研究星載天線的波束成形技術。
由于星載天線無法提供大量點波束，需要結合波束跳變實現衛星視場內的覆蓋。波束跳變的周期與通信協議中規定的資源調度周期有關，如4G-LTE的資源調度周期為10 ms，5G的資源調度的最小周期為125 μs，如此快速的資源調度給星載天線波束跳波控制帶來了挑戰。
當前手機工作的頻率分布在700 MHz～2.4 GHz各個頻段，要想實現手機直連衛星的全球通信，需要衛星在全球范圍內不斷切換工作頻點以適應所在地區的頻率規則，這就要求星載天線具備700 MHz～2.4 GHz的收發能力，而當前手機直連衛星的天線工作頻段在幾十MHz以內，因此需要研究適應大帶寬的星載天線。
2.3 星載基站技術
一直以來，衛星的處理模式分為透明模式和再生模式，對于手機直連衛星來說，也同樣存在這兩種模式，從服務時延、通信效率、資源調度的實時性等方面考慮，手機直連衛星應該使用再生模式，即通過星載基站完成用戶接入、數據信息交互、資源調度等功能，SpaceX公司的手機直連衛星是再生模式，星上實現了4G-LTE的星載基站。由于星載基站的服務范圍廣、管理用戶多、業務種類多，又是衛星的數據面和控制面中心節點，所以需要針對手機直連衛星的應用環境和使用特點，研究多體制高性能星載基站技術。星載基站技術的特點如下。
手機直連衛星的3種實現方式決定了將會有不同通信體制的手機用戶同時接入星載基站的需求，其星載基站不僅需要具備不同用戶同時接入、與不同核心網交互等功能，還要能適應4GLTE、5G、NTN-NR、NTN-IoT等多種通信體制協議，這對星載基站提出了很高的要求。在手機直連衛星場景中，分別針對每種通信體制單獨存在、多種體制共存等不同情況，開展星載基站研究。
地面4G基站的覆蓋范圍為1～3 km，地面5G基站的覆蓋范圍為100～300 m，而低軌衛星星載基站的覆蓋范圍由衛星軌道高度和星載天線工作仰角決定，其覆蓋范圍是地面4G、5G基站的上萬倍，覆蓋范圍上的差距，決定了一個星載基站需要接入和管理更多的用戶終端，因此需要研究海量用戶的資源分配技術、大算力高性能星載基站平臺。
由于基站與手機用戶間的相對位置不斷變化，需要對手機用戶進行移動性管理。與地面移動通信系統的基站位置固定不同，手機直連衛星的星載基站自身具有高速移動性，因此星載基站不只要對手機用戶進行移動性管理，還要對自身的移動性進行管理和信息上報，這就導致按照地面基站的管理方法無法管理星載基站，造成星載基站的移動性管理難度加大。因此，需要研究星載基站移動性管理策略、手機直連衛星用戶的移動性管理策略等。
手機直連衛星具備為整星視場內的用戶提供服務的能力，要求星載天線形成數十個點波束的同時，還應具備點波束跳變功能，星載基站需要根據手機用戶的服務要求和星載天線的使用特點，控制星載天線的波束指向，調度其點波束資源。由于服務的用戶數量大、調度的點波束個數多，在調度點波束時不僅要考慮點波束的空間維度（點波束數量），還要考慮點波束的時間維度（點波束跳變時分復用），同時要考慮用戶分布特點、用戶優先級等用戶維度。因此，星載基站的波束控制非常復雜，需要綜合考慮多種因素，研究星載基站的多波束控制與調度策略。
2.4 手機天線技術
在手機直連衛星中，衛星與地面通信傳輸距離長，對衛星的指向要求高，手機與衛星之間的傳輸鏈路損耗大，制約了通信速率。傳統的衛星電話往往搭載一根體積大、長度長、增益高的衛星天線。但對于一部大眾智能手機，天線受制于終端體積和功耗，通常采用的是低增益全向天線，因此一般無法做到連接衛星完成信號同步和系統同步。若需要在大眾手機上實現衛星通話，不僅需要提高星載天線收發能力，也需要增強手機天線收發能力，具體需求如下。
手機的全向輻射靈敏度可衡量手機接收空間信號的能力，在手機直連衛星場景下，星地下行鏈路傳輸速率一方面由星載天線的發射EIRP決定，另一方面由手機的接收能力全向輻射靈敏度決定，因此需要研究超表面、透鏡等新型天線設計方法。
手機的輻射功率是200 mW（即23 dBm），在手機直連衛星場景下，為避免引起對其他基站和用戶的干擾，此輻射功率不會增大，但可以通過提高手機天線的發射增益，而降低射頻通道功放的輸出功率，以達到降低整機功耗、增長待機時間的目的。因此，提高手機天線發射增益技術，是解決基礎設施缺乏的偏遠地區手機超長待機需求的有效措施。
地面移動通信系統的基礎設施很完備，手機周圍各方向布滿了基站，手機可以在各種姿態下進行通信；在手機直連衛星場景下，手機直連衛星星座雖然由成百上千顆衛星構成，但在手機用戶上空同時可見、可用的衛星數量較少。由于衛星位置和通信方向既相對固定，又實時快速變化，為適應低軌衛星位置的快速變化，要求手機天線輻射信號是全向的，但同時衛星的移動又會導致星地之間通信鏈路受到遮擋，引起星地通信中斷問題，所以為實現可靠通信需要研究手機直連衛星手機天線的方向性控制方法。
3 手機直連衛星發展展望
手機直連衛星的痛難點需系統化解決。目前，手機直連衛星主要有兩個痛難點問題需要盡快解決：一是衛星載荷的關鍵技術突破問題，二是星地一體協調共用問題。衛星載荷需要突破的關鍵技術主要有星載天線技術、星載基站技術。星載天線技術與衛星平臺技術、火箭運載能力相關，星載基站技術與地面核心網、用戶終端息息相關，同時星載天線技術和星載基站技術之間也有波束資源控制調度等技術上的關聯，因此，對于衛星載荷關鍵技術的研究需要以衛星載荷為分系統進行整體考慮，以星地系統為參考進行優化。星地一體協調共用要以星地頻率共用的研究成果為基礎，衛星運營商與地面運營商合作，開展手機直連衛星系統網絡的常態化運營，同時持續開展手機直連衛星系統優化、技術體系等方面的研究，從星地系統層面、面向人機物的服務層面布局研究內容。
手機直連衛星實現地面與非地面一體化通信。NTN與地面5G網絡本質是使用同一設計，由于5G NR的前向兼容性，如果采用NTN標準的手機直連衛星技術路線，NTN協議能夠很好地融合地面5G網絡協議。手機直連衛星系統可將地面移動通信與衛星融合，實現全球覆蓋，即使發生地震、海嘯等自然災害，通信也能保持較高的可用性和魯棒性。隨著手機直連衛星技術的發展，除了地面移動通信系統會接入手機直連衛星系統，未來極低地球軌道衛星、高空平臺、無人機也有可能會接入手機直連衛星系統，因此需要研究支持多樣化異構網絡接入、多星分布式協同MIMO、多平臺分布式協同MIMO等技術。
手機直連衛星是未來6G物理世界的基礎。6G要實現“人聯、物聯、萬物智聯”，需要一個全球覆蓋的網絡，手機直連衛星系統可實現地面與非地面（高軌衛星、低軌衛星、極低軌衛星、高空平臺、無人機等）一體化通信，能為6G提供全球覆蓋，除此還可以提供低時延、[敏感詞]定位等能力，成為6G網絡的重要組成部分。針對未來6G通信需求，可研究通信感知一體化、超大規模連接、超高可靠通信、高精度定位等技術。
4 結束語
隨著衛星系統建設成本降低、載荷關鍵技術突破、商業航天快速發展的多重作用，手機直連衛星變成了現實，SpaceX公司和AST公司均已發射了能夠實現存量手機直連的衛星，華為、蘋果等公司利用手機終端技術創新實現了偏遠地區的人們能夠隨時發送短消息或者語音通話，在NTN體制標準上持續研究促進手機直連衛星發展。手機直連衛星將衛星系統與地面移動通信系統結合，利用衛星系統的全球覆蓋特點，解決地面移動通信系統無法覆蓋偏遠和人口稀少地區的問題，推動了天、空、地一體化通信的發展。手機直連衛星是未來6G通信的基礎，通過解決立體組網一體化架構、終端一體化、頻率一體化等若干關鍵技術，將實現天、空、地的萬物智聯。
宋艷軍（1983-），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為低軌衛星通信、衛星載荷 。
肖永偉（1976-），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為低軌衛星通信、低軌體制協議 。
孫晨華（1964-），女，中國電子科技集團公司第五十四研究所正高級工程師，主要研究方向為衛星通信、天基網絡協議、天基網絡融合 。
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